面向装备维修的增材再制造技术

朱 胜， 柳 建,， 殷凤良， 孟凡军， 顾海清

(1. 装甲兵工程学院装备再制造技术国防科技重点实验室, 北京 100072;2. 68129部队, 甘肃 兰州 730058 )

增材制造技术即是时下流行的3D打印技术，亦即国内称之为“快速成形”的一种先进制造技术，其本质原理是离散与堆积，即在计算机的辅助下，通过对实体模型进行切片处理，把三维实体的制造转换成二维层面的堆积和沿成形方向上的不断叠加，最终实现三维实体的制造。由于与传统制造方法相比，增材制造技术具有节材、节能以及成形不受零件复杂程度限制等优势，因此受到了国内外的广泛关注。如今，增材制造技术已经在工业、生物医疗、考古等行业得到广泛的应用[1-5]。

增材制造技术的高度柔性及快速性特点十分符合现代化战争中的快速精确保障要求。因此，增材制造技术在军用制造领域的应用受到各国的高度关注。美国的F-22等战机上许多零件的生产都采用增材制造技术，并且已经研制了用于战场使用的高柔性现场零件制造系统[6]。我国在增材制造技术制备金属零件方面也有深入的研究，并取得了一系列重要成果。

装备零部件的精确保障要求不但包含装备零部件的快速“无中生有”，也包含快速实现损伤零部件的 “坏中修好”。但是，增材制造技术在损伤装备零部件再制造应用方面还处于初级阶段。本文将对增材再制造技术在美军及国内的应用现状进行简要介绍，并对目前存在的问题及其发展趋势进行分析与展望。

1 增材再制造及其流程

增材再制造就是利用增材制造技术对装备损伤零部件(包括战损和正常服役中出现的损伤)进行再制造修复：首先利用三维扫描仪对损伤零件进行扫描，获取损伤零件的数字化模型；然后对数字模型进行处理，进而生成缺损零件CAD模型，并通过与标准模型进行比对生成再制造修复模型；接下来对再制造模型进行分层路径规划处理，最后3D打印系统依规划路径对损伤零件进行再制造修复。其技术流程如图1所示。

图1 装备零部件增材再制造修复流程

2 增材再制造应用现状

近年来，3D打印产业在全球的发展进行得如火如荼；但是，3D打印再制造行业的发展还处于初级阶段，根据科技行业独立咨询公司Wohlers Associates的分析报告，预计到2019年，3D打印行业的收入将达69亿美元，其中成品生产预计将占80%，这说明增材制造技术在再制造领域的应用有限。目前，无论是国内还是国外，增材制造技术在再制造领域的应用都主要集中在军队装备零部件再制造及高端产品再制造修复，即航空航天方面高附加值零件的再制造修复。

2.1 美军应用现状

美国军队一直是增材制造技术应用的先行者，也是目前世界上最大的再制造受益者。利用先进的增材制造技术对损伤装备零部件进行再制造，代替直接更换新的零部件，不但可以节约大量的军用装备制造费用，而且延长了装备的寿命，提高了装备的维修能力。因此，增材再制造工程的研究早就引起了美国国防决策部门的重视，并将武器系统的性能升级、延寿技术和再制造技术列为目前和将来国防制造重要的研究领域[7]。自20世纪起，美国军方就采用各种技术对B-52轰炸机、阿帕奇直升机及M1坦克等装备进行了再制造[6，8-19]。AeroMet公司早在2000年就采用Laser Forming 增材制造技术对军用直升机上破损的钛合金构件进行再制造修复，再制造比直接更换新构件节省了2～6万美元。同时，该公司还与通用电气(GE)、劳斯莱斯(RollsRoyce)等公司合作，利用该技术对F119战斗机的发动机风机保护罩进行再制造修复。GE公司在新加坡建立的发动机叶片维修工厂，每年用激光熔覆增材制造技术修复的发动机叶片高达上万个，由此带来的经济效益相当可观。

2001年开始，美国开始利用LENS(Laser Engineered Net Shaping)增材制造技术对在阿富汗战场上失效的黑鹰直升机叶轮叶片进行再制造修复[6,14-16]。据报道，采用LENS技术再制造修复一个直升机发动机比采用传统方法修复大约可以节省10余万美元，并且由于再制造部分的材料耐磨性能优于原始材料，因此可以大大延长发动机的使用寿命。采用LENS技术再制造修复的叶轮叶片如图2所示[19]。

图2 LENS技术修复的黑鹰战机叶轮上的叶片

POM公司通过与俄罗斯政府合作，于2003年起也开始应用增材再制造技术对老化的军用飞机发动机涡轮叶片进行翻新，不过，他们采用的是DMD(Direct Metal Deposition)技术[20]。

随着增材制造技术的不断发展，美国军方对其在航空航天领域的应用也更加重视。据报道，美国国防部已计划将增材制造技术应用于太空轨道修复，助力美国防部凤凰计划。

陆军装备方面，2001年，美国阿拉巴马陆军军械库(Anniston Army Depot, ANAD)在Optomec公司的帮助下，投资300万美元搭建了基于LENS增材再制造技术的军械修复系统，用于艾布拉姆斯M1坦克(Abrams M1 Tank)燃气涡轮发动机零部件的再制造修复，主要包括转子、密封转轮、间隔压气机、导向器叶片、压气机定子、压气机叶片等。系统正式投入使用后，仅第一年(2002年)就为美军节省军费开支630万美元[17]。

目前，由Optomec公司搭建的被称为“移动零件医院”(Mobile Parts Hospital, MPH)的伴随快速保障系统已经在阿富汗战场上获得应用，并成功地对机枪等武装装备零部件进行了快速制造和再制造修复，大幅提升了装备快速精确保障响应速度和保障水平。

2.2 国内应用现状

国内方面，虽然增材制造技术在中国的起步较晚，但增材制造技术在装备零部件维修保障上的优势一开始就受到各方面的重视。目前，国内在装备零部件增材再制造修复的研究与应用上已经取得了一系列成就。

中科院沈阳自动化研究所快速成形实验室与海军航空工程学院青岛分院合作，开展了金属粉末激光成形(Metal Powder Laser Shaping, MPLS)增材制造技术研究。目前，该技术已成功应用于某主战机种发动机涡轮导向器、舰船螺旋桨叶片的再制造修复[6,21]。沈阳的大陆激光技术有限公司采用基于激光的增材制造技术加等离子喷涂技术对烟气轮机叶片实施再制造修复，收到较好的效果。

装甲兵工程学院自2003年国内首家再制造领域的国家级重点实验室——装备再制造技术国防科技重点实验室——成立起，就一直致力于我军装备零部件的再制造修复工作。该实验室采用激光熔敷、电弧熔敷以及等离子弧熔敷增材制造技术，以及热喷涂、电刷镀等表面工程技术，构建了符合我军特色的装备零部件再制造修复技术体系。实验室已成功地利用激光等增材制造技术对包括坦克发动机、飞机发动机叶片等在内的陆、海、空各军种装备零部件进行了再制造修复，产生了巨大的经济效益和军事效益。图3-5为实验室利用几种增材再制造技术修复的零件图[22-24]。

西北工业大学凝固技术国家重点实验室是国内最早开展金属材料增材制造研究的几家单位之一。该实验室在航空科学基金、973国家重点基础研究项目等基金的资助下，以先进飞机和发动机所需的一些关键零部件为具体应用对象，系统地开展了LENS金属材料直接成形技术研究[25]。近期，实验室以此技术为基础，成立了西安铂力特激光成形技术有限公司，专门从事高性能致密金属零件的3D打印直接制造及再制造修复工作。据报道，5719工厂日前已经正式启动了成都增材制造产业工程技术研究中心，大力发展飞机整机维修、航空发动机叶片修复增材再制造技术。

图3 激光熔敷再制造截断轴凸轮

图4 基于焊接3D打印修复的活动盘

图5 等离子熔敷再制造的发动机排气门

近期，合肥工业大学专门成立了三维打印与激光再制造先进技术研究中心，建设“3D打印及激光熔覆设备系统平台”，专门从事高端3D打印制造设备研发，以及3D打印直接制造与再制造技术研究。

另外，随着增材制造技术在国内的发展，许多公司如中航重机、南风股份、上海彩石激光科技有限公司等，都把高端工业零部件的再制造列为公司重要的发展方向。

3 存在问题与发展趋势

3.1 增材再制造技术目前存在的问题

虽然增材制造技术已经在装备零部件的再制造中成功应用，并取得了不错的效果，但是，由于再制造过程十分复杂，加上增材制造技术本身还不够成熟， 目前的增材再制造还处于初级研究阶段，存在许多亟待解决的问题，导致距离战场现场实现装备损伤零部件快速精确再制造的要求还有一定的距离。

1) 再制造模型获取过程复杂，效率低下。损伤零件的再制造修复过程十分复杂，其中，损伤零件数字化模型的获取及模型重构是逆向工程问题，模型比对处理是正向设计问题，同时还包含分层以及文件格式转换等诸多问题，通常需要三方软件的协作才能完成。目前的软件系统集成化、自动化程度低下，大幅度地降低了装备损伤零部件的增材再制造响应速度。

2) 设备便携性差。目前，激光设备存在系统复杂、结构庞大的缺陷，导致目前主流的基于激光的增材制造技术存在系统复杂、便携性差的问题。同时，损伤零件数字化模型获取的反求扫描设备也存在需要常规电源以及便携性差的问题。这些因素造成野外战场现场环境下，无法实现战损零件的模型快速反求及快速再制造修复。

3) 技术相对单一。目前的主流增材制造技术都是以激光为热源的打印技术。激光虽然有能量集中、成形材料广泛等优点，但也存在系统昂贵、复杂等缺点，造成增材制造和再制造成本较高，普及比较困难。

4) 增材制造技术精度比较低。目前，增材制造技术的成形精度还比较低，无论是直接制造件还是再制造修复件，都需要进行后处理加工后才能使用。

5) 材料问题。目前用于增材制造技术直接制备金属零件的材料种类还比较少，导致可以进行再制造修复的装备零部件种类有限。

3.2 增材再制造技术未来发展趋势

根据装备损伤零部件战场现场快速精确再制造保障要求，可以预见，未来增材再制造技术的发展将主要集中在以下方面。

1) 提高再制造软件系统的集成度和自动化程度，以提高装备损伤零部件增材再制造的响应速度。目前，已有公司推出正逆向混合设计软件，向高集成度再制造软件系统迈进了一步。另外，鉴于点云数据构建曲面模型过程繁琐，大连海事大学已展开点云数据与零件标准CAD模型直接进行比对，生成再制造修复模型的理论研究[26]，以简化再制造模型获取流程，提高系统自动化水平，进而提高损伤零件的增材再制造响应速度。

2) 增材制造系统向桌面化、便携方向发展，以适应野外战场现场快速精确保障要求。据报道，目前，美国陆军太空与导弹防御司令部、陆军部队战略司令部未来作战中心创新办公室为战场人员研发了一款质量小、价格低的3D打印机，该机可以放在作战人员的背包中并在战场上使用。

3) 增材再制造向技术多样化及与其他制造技术相结合的方向发展，以解决激光3D打印设备昂贵、便携性差等缺陷，同时解决增材制造精度不高的问题。

4) 提高增材再制造材料的多样性和先进性，满足装备零部件多样性的需求。随着增材制造技术的深入发展和打印材料需求的不断扩展，目前，国内的增材制造材料研发与应用日益受到关注。据报道，在2012年10月举行的增量制造产业高端论坛暨激光烧结装备发布会上，华曙高科与全球知名激光烧结粉末材料销售商美国3D Link公司就激光烧结材料应用开发项目签订合作协议，以期开发出高性能激光烧结粉末材料。近期成立的飞而康快速制造科技有限责任公司、海源3D打印制造实验室等单位也都把增材制造材料开发列为明确目标。

5) 充分利用网络平台，大力发展远程增材再制造。据外媒报导，近期，美国陆军研究实验室和普渡大学开发出一种新型3D打印技术，能够帮助部署在不同位置的士兵对装备(如飞机、汽车)零部件进行远程修复，提高军事装备效率并大幅降低维护成本[27]。目前，国内已出现专业的网络3D打印服务平台，但关于远程3D打印再制造的信息还尚无报道。

4 结束语

将增材制造技术应用于装备损伤零部件的再制造中，可以大幅节约成本，降低军队装备备用件的库存量，节省国防开支，对大幅提升损伤装备零部件的快速精确保障响应速度、促进战斗力的再生、改善军队战备状态具有重要的意义。随着增材制造技术的发展与成熟，其在国防科技中的应用前景将更加广阔，同时带来更高的军事效益和经济效益。

参考文献：

[1] 刘伟军. 快速成型技术及应用[M].北京：机械工业出版社,2005:152-188.

[2] 冯涛, 李志刚. 快速成型与快速制模技术的最新发展：EuroMold’2003 考察报告[J].模具工业,2004(4):3-5.

[3] 钟敏霖, 宁国庆, 刘文今. 激光熔敷快速制造金属零件研究与进展[J].激光技术, 2002,26(5):388-391.

[4] 柴枫, 赵铱民, 李涤尘. 快速成型技术在医学中的应用[J].口腔摄面修复学杂志,2004,5(1):63-65.

[5] 李超, 朱胜, 沈灿铎, 等. 焊接快速成形技术的研究现状与发展趋势[J].中国表面工程,2009,22(3)：7-12.

[6] 张凯, 刘伟军, 尚晓峰, 等. 快速原型技术在国防科技中的应用[J].工具技术, 2005,39(1):3-13.

[7] 蔡威,朱丽丹,王启明. 再制造技术综述[J].机械工程师,2009(4):100-101.

[8] 徐滨士. 再制造工程与纳米表面工程[J].金属热处理, 2006(s1):1-8.

[9] 徐滨士.发展装备再制造, 提升军用装备保障力和战斗力[J].装甲兵工程学院学报,2006,20(3)：1-5.

[10] Arcella F G, Abbott D H, House M A. Titanium Alloy Structures for Airframe Application by the Laser Forming Process[C]∥Eden Prairie. 41stStructures, Structural Dynamics, and Materials Conference. Altanta: the American Institute of Aeronautics and Astronautics, 2000: 1-11.

[11] Arcella F G, Froes F H. Production of Titanium Aerospace Components from Powder Using Laser Forming[J]. Journal of Metals, 2000,52(5):28-30.

[12] Mear F, Yot P, Cambon M. Optomec Gets 2002 Defense Manufacturing Excellence Award[J]. Welding Design & Fabrication, 2003(4):210.

[13] Daniel D C, Caraher L C.NATO Defense Science and Technology[R]. Washingtong: National Defense Univ Washingtong DC Center for Technology and National Security Policy, 2004.

[14] Sandia National Laboratories.LABS Acconplishments[EB/OL].(2013-02-01)[2013-02-01.]http://www.sandia.gov/

news/publications/lab_accomplishments/index.html

[15] OPTOMEC. Metal Components[EB/OL].[2013-10-01].http://www.optomec.com/Additive-Manufacturing-Applications/Laser-Additive-Manufacturing

[16] Aston A. The Army’s Secret Weapon: Repair Shops in the Field[J]. Business Week online, 2002(3792):1.

[17] Excell J. War Machining[J].Engineering, 2003,292(12):37-38.

[18] Richman T. Mobile Parts Hospital:The Agile Manufacturing Cell Provides Critical Parts to Soldiers in Battle[R]. Washingtong: Army Tank-Automotive Command,2007.

[19] 张冬云, 王瑞泽, 赵建哲, 等. 激光直接制造金属零件技术的最新进展[J].中国激光, 2010: 37(1): 19-25.

[20] Richard Grylls. Laser System Saves Damaged Military Parts from the Scrap Heap[J]. The Fabricator, 2003:33(2):42-44.

[21] 尚晓峰,刘伟军,王天然. 激光工程化净成形技术的研究[J].工具技术, 2004, 38(1): 22-25.

[22] 董世运, 张晓东, 徐滨士,等. 45钢凸轮轴磨损凸轮的激光熔覆再制造[J].装甲兵工程学院学报, 2011,25(2):85-88.

[23] 李超. 再制造快速成形材料集约化设计及成形性研究[D].北京: 装甲兵工程学院,2010.

[24] 向永华, 徐滨士, 吕耀辉, 等. 发动机排气门等离子熔覆再制造[J].金属热处理,2010,35(7):66-69.

[25] 黄卫东,李延民,冯莉萍, 等.金属材料激光立体成形技术[J].材料工程, 2002(3): 40-43.

[26] 王文标. 基于视觉测量的快速再制造成形系统关键技术研究[D]. 大连: 大连海事大学,2010.

[27] 光明网.3D打印为装备快速维修提供解决方案[EB/OL].(2013-09-25)[2013-10-01].http://tech.xinmin.cn/2013/09/25/22038690. html